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1、摩托车车架模态优化分析2009 年 09 月 07 日LMS1 前言摩托车整车是一个复杂的振动系统， 行驶过程中产生的振动可以分为路面不平度引起的随机振动和发动机作用力引起的周期性受迫振动。 车架是摩托车的主要骨架，其动特性是影响振动舒适性的重要因素。车架的模态特性可以由有限元法和实验法两种途径获得。本文结合实验方法和有限元方法，对某型号摩托车两个不同厂家生产的车架（车架 1 和车架 2）的模态特性进行测试、 分析和评估。 在此基础上查找两款车架模态特性差异的原因， 并对模态特性差的车架进行优化，为后续进行一步的舒适性分析做好准备。2 实验测量及两款车架模态特性对比如图 1 所示，模态试验采用
2、由加速度传感器、力锤及传感器、 LMS SCADAS II 数据采集前端、 LMS.TESTLAB 软件组成的模态测试与分析系统。 由于是进行自由模态分析， 因此用较软的橡皮绳将车架吊起来， 使其基本处于自由状态。 吊挂位置为车架上方管。采用力锤激振，敲击位置为车架尾部，实验如图2 所示。图 1 模态测量系统示意图图 2 车架模态测量过程图 3 为两款车架的第一阶模态振型和频率对比， 可以看出，两者的振型基本是一致的，都是绕 y 轴弯曲，模态位移较大的位置是车尾和车头位置。 图 4 为 300Hz 以内两车架的模态频率对比 （图 4 中的连线不代表各频率之间的连续性） 。从图 4 可以看出：
3、1)车架 2 的固有频率要比车架 1 的固有频率普遍要高，其中第 1 阶频率高 10Hz ，第二阶频率高 34Hz ，显然车架 1 在发动机运转时引起 1，2 两阶模态共振的可能要比车架 2 大得多； 2）车架 2 在 300Hz 以内存在 7 阶模态，而车架 1 存在 8 阶振动模态。对于摩托车振动性能影响最明显的是低阶模态， 这进一步说明车架 1 引起共振的可能性更大， 而且振型更复杂。 因此可以断定， 车架 1 的模态特性要比车架 2 的模态特性要差得多。（ a）车架 1(b) 车架 2图 3 车架 1 和车架 2 的第一阶模态对比图 4 两款车架模态频率分析3 车架模态优化方案及有限元
4、分析通过对比两实物车架模型， 可以发现这两个车架在焊接工艺上有较大的差别， 如图 5 和图 6 所示。在动力吊挂位置和后货架位置， 车架 1 基本没有焊接， 而车架 2 焊接质量较好。另外，两车架在壁厚方面也存在差别，车架 1 的壁厚普遍要比车架 2 的壁厚要薄一些。这些因素必然会导致这两个车架的模态特性产生较大的差别。因此，建立车架的有限元模型进行自由模态分析。（a）车架 1(b) 车架 2图 5 两款车架动力吊挂处焊接工艺对比（a）车架 1（b）车架 2图 6 两款车架后货架位置焊接工艺对比车架的有限元模型如图 7 所示，分为 36505 个 shell 单元和 30 个 beam 单元，
5、总共 37777 个节点。取车架的材料性能为：弹性模量 E 210GPa ，比重 7800Kg/m3 。车架不同部件之间采用 MPC 连接以模拟部件间的焊接情况。在模态分析时，由于求解的是车架结构的固有特性 (固有频率和固有振型 )，与所受外力无关，故可忽略外部载荷的作用。 求解过程采用 Lancos 法，选取 0300Hz 作为其计算频段范围内，提取车架的前 8 阶非刚体模态。图 7 车架的优化方案经过几次程序调试， 获得的两款车架模态和实测的车架模态振型都很吻合， 并且频率误差都在 10% 以内，因此可以在此基础上进一步作优化分析（此处由于篇幅省略计算结果和试验结果的对比）。首先是改善车架
6、1 的动力吊挂和车架尾部的焊接情况（如图 4 所示），可以发现，这两处的焊接工艺对车架的模态频率有很大程度的影响， 尤其是车架尾部的焊接非常关键，它不仅提高了 2、3 阶频率，使 200Hz 以内的频率成分由 3 个降为 2 个，降低了低频段模态频率的密度；并且大大改善了车架尾部的振型，如图 8 所示。分析认为这是由车架尾部焊接后，相当于给车架尾部增加了一个加强板， 而质量却基本没有增加， 从而大大提高模态的频率。因此，车架尾部的焊接非常重要。随后，在有限元模型中恶化车架 2 的焊接工艺，相对应的模态频率快速下降。 这从正反两个方面都证明了这两处的焊接工艺对于车架的模态特性有重要的影响。(a)
7、 没有焊接时的振型(b) 焊接后的振型图 8 车架尾部焊接和未焊接的振型对比进一步以车架 1 的模态频率为目标函数， 车架部件壁厚为设计变量， 进行灵敏度分析，获得了各部件板厚对车架模态频率影响的强弱。 结果表明， 主粱管主要控制第一阶模态频率，座位支架主要控制 4，5，6 阶的模态频率，这个进一步的模态优化指明了方向。在此基础上，按图 7 所示的方案进行整体优化，获得的 18 阶的频率分布如图 9 所示。从图可以看出， 优化后车架 1 的模态频率大大升高，基本和车架 2 的模态频率较为接近， 显然，车架 1 的模态特性已经得到了较大程度的改善。后续的试验证明以上的分析结果是正确的。图 9 车架优化前后模态频率的对比（有限元）4 结束语本文利用试验和有限元相结合的方法， 对相同型号不同生产厂家的两个车架进行了模态的对比分析发现， 车架的焊接工艺对于其模态特性的有重要的影响， 而在实际的生产过程中， 生产厂家往往仅仅从力学强度的角度出发控制焊接工艺， 忽视了焊接工艺对其模态特性的影响， 从而严重恶化车架的动态特性， 这一点是需要引起足够重视的。 另外，本文对影响车架模态特性的控制因素进行了分析， 对模态特性较差的车架进行了整体优化， 获得了较为满意的结果， 优化过程对实际工程问题是有较大的借鉴意义的。